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摘要：虚拟植物技术可直观展示植物三维形态结构、生理生态功能和动态生长发育。在园艺专业课程教学中应用虚拟植物，直观的三维形态展示可以有效提升理论课授课效果。通过开展基于虚拟植物的虚拟试验，可不断拓展专业实践的广度和深度。结合其他教学模式，引导学生自主探索，激发学习潜能，有利于学生逻辑思维能力及创新能力的培养。虚拟植物在园艺专业课程教学中具有广阔的应用前景。
关键词：虚拟植物；园艺；能动性
本文引用格式：杨伟伟等.虚拟植物在园艺专业课程教学中的应用探索[J].教育现代化，2019，6（75）：240-241.
Application of Virtual Plant Technology in Professional Courses of Horticultural Major
YANG Wei-wei，SUN Jun-li，YU Kun,ZHAO Bao-long,LIU Huai-feng
（Collage of Agronomy，Shihezi University,Xinjiang，Shihezi）
Abstract:Virtual plant technology can visualize the three-dimensional structure,physiology and ecology processes and dynamic growth for plants through computer simulation.First,the application of virtual plants in the teaching of horticultural courses with 3-D display for plants can effectively improve the theoretical teaching.Second,through the virtual experiment based on virtual plants,the practical and training courses can be expanded.Third,combining with other teaching modes,guiding students to explore independently,their logical thinking ability and innovative capacity can be enhanced.Virtual plants have a bright prospects in the teaching of horticultural courses in future.
Key words:virtual plants；gardening；motility
园艺专业人才培养的目标之一即要求学生掌握园艺作物生物学特性、栽培管理及生产。因此，专业理论课程需要结合校专业实践以提高学生专业素质和培养质量[1]。然而，由于地域、气候、园艺作物种类及栽培措施的差异，包括教学经费及场地的限制，学生很难系统的观测园艺作物生物学特性、参与不同类型园艺作物栽培管理。基于计算机模拟的虚拟植物技术，以三维可视化的方式呈现园艺作物生物学结构和生理功能及其在不同气候环境及栽培条件下的生长发育状况，具有效率高、交互性强、费用低、不受天气环境制约等特点[2]，激发学生兴趣和学习热情，提升学生参与度，丰富和完善园艺专业教学的内容和形式。
一 虚拟植物技术发展现状
虚拟植物建模的关键和难点是获取植物的几何形态和动态生长信息，通过抽象提取生物规则并编码，在计算机上形成逼真、动态、能反映植物生长的三维可视化模型。常见的形态结构模拟主要包括基于实际测量的形态重构和基于生长规则的计算机模拟。实际测量的方式有三维数字化、二维图像重构、三维点云、深度摄影等技术。计算机模拟包括分形理论、L系统、随机过程方法等。其中L系统由于语法结构简单，兼容性强，效率高等特点，在虚拟植物构建中广泛使用[3]。随计算机性能及云端高性能计算平台的发展，虚拟植物可耦合的植物功能不断增加，如光截获、碳的合成与分配、果实糖酸代谢、水分运输等。一些大型集成模型平台也不断成熟，包含了植物生长和发育的不同模块，避免了重复和过度开发，如OpenAlea、GroIMP、AMAP、L-studio等，也便于非计算机专业工作者能够利用信息化平台技术开展研究和教学。
二 虚拟植物在园艺专业课程教学中的应用
不同于一年生作物或以生物量为目标的林木，园艺植物，尤其是果树等多年生木本植物，结构复杂，生长周期长，植株结构、功能、环境和栽培措施间存在复杂的调控关系。因此，单一的模拟方法已不能满足园艺虚拟植物构建要求，通常需结合不同类型的模拟方法进行模拟。如桃树的L-peach模型，结合了L系统、实际测量及上文提到的所有树体功能。目前，园艺虚拟植物发展迅速，如苹果（MappleT）、桃（L-peach，QualiTree）、葡萄（GrapevineXL）、猕猴桃（L-kiwi）。目前，我系通过自主开发及与国内外学者合作，搭建立了苹果、枣、桃和葡萄为对象的园艺虚拟植物模型，为虚拟植物在园艺专业教学中进行应用提供了坚实保障。
（一）三维可视化直观呈现，提升理论课教学效果
激发学生兴趣才能调动学生主观能动性，提高学生上课的积极性。通过采用多媒体教学、MOOCS、翻转课堂及混合式教学，可以提高教学质量，但也存在注重形式，忽略内容，造成现代化教育技术的滥用[4]。园艺虚拟植物的应用，以具体作物为对象，以提升授课内容为抓手，将授课对象三维可视化，真实感强，学生获得直观感受，是抽象知识的具体化，有利于学生将注意点和兴趣点关注在授课对象上。在《果树栽培学》授课中以前期建立的苹果虚拟植物和虚拟果园为对象，通过设置不同栽植密度、不同栽植方向和不同整形方式，学生得以进行直观的比较，快速领会差异点及要点。基于MappleT进行不同类型苹果分枝模式（单轴分枝条、合轴分枝和成花过程）对果树生长发育的动态虚拟模拟，学习者在很短的时间内可观察到果树多年的生长发育特征及形态特点，使学生对分枝模式如何影响果树生长有了深刻的认识，获得传统课堂无法得到的信息，虚拟植物还有助于破解知识难点。
（二）开展虚拟试验，拓展专业实践深度和广度
专业实践一直是园艺专业人才培养的重要环节[5]。然而，园艺作物多种多样，且园艺作物生长受到光照、温度、水分、肥料、人为管理等多种环境因子及栽培措施的影响，实践基地不可能面面俱到。利用虚拟植物，可以动态的展现园艺作物在不同环境和栽培条件下的生长状况及果实产量和品质，相关的生理过程也可以以量化图表的方式同步呈现，学生对现象的认识更为直观、高效，而且对于与生长过程相关的生理生化过程也有了更为系统的认识，提升专业实践的深度和广度。比如利用L-peach向学生展示桃树在不同水分和砧木条件下的生长发育过程及相关的生理过程，取得了非常好的教学效果。
（三）自主探索，激发学生自主探索和学习潜能
现代园艺产业的发展，不仅要求学生具有扎实的专业知识和技能，还需要具备创新精神，创新意识。虚拟植物的应用，还可结合项目式学习及翻转课堂，引导学生自主探索园艺植物生命现象。如通过设定项目，由学生基于虚拟植物对果园的栽植行向、密度、修剪程度等进行设计，探索不同栽培措施条件下果园的光截获表现能力，筛选适宜的栽培措施，并形成报告。在此过程中，不仅进一步提高了学生的参与度，激发求知欲，又有利于学生逻辑思维能力及创新能力的培养。
三 虚拟植物在教学中的应用展望
经多近60多年的发展，虚拟植物技术不断完善和成熟，园艺虚拟植物结构和功能也不断丰富。随着计算机性能的不断提升，虚拟植物对硬件的要求不断降低，目前普通的个人电脑即可完成虚拟植物的可视化及虚拟试验，而无须借助大型服务器。但园艺植物种类多样，每种类型的生物学特性及功能又各有特点，目前还未有适用于所有园艺作物的虚拟植物模型。互联网+时代，随着网络教学和开放式教学的发展，基于大数据的云系统虚拟植物web端的开发迫在眉睫，通过建立公共开放园艺虚拟植物平台，所有人都可以直观、形象的学习和探索园艺植物。虚拟植物作为一种多学科交叉，信息化程度高，前瞻性的科学技术，随着更多园艺作物虚拟植物的开发，虚拟植物在园艺专业课堂教学中的应用也将更为广泛。
四 结论
在园艺专业教学过程中，应用虚拟植物以可视化的形式展示三维形态的园艺作物，使理论教学更为丰富，提升学生兴趣。虚拟试验的开展不受时间和空间限制，使一些不可能或花费较大的专业实践成为可能，拓展实践教学的广度和深度。结合其他教学模式，可进一步提升学生参与度，在求知欲的带动下自己动手进行知识的加工和处理，培养创新能力。虚拟技术虽然可以完成很多理论和实践中不可能完成的任务，但其并不能完全取代传统授课和专业实践，只能作为一种补充。虚拟植物技术需要与其他教学手段有机结合，提升学习效率、提高学习效果，达到知识、能力和素质三位一体、协调培养的目标。
参考文献
[1]别之龙，向佳玲，杨仁海，等.深化园艺专业实践教学改革提升人才培养质量[J].实验室研究与探索，2009，28(6)：105-109.
[2]尹莹莹，李秀英，陈丽飞.虚拟植物在农类专业教学中的应用探索[J].黑龙江畜牧兽医，2015(08)：148-149.
[3]范国华，吴国栋，周琼，等.教学型虚拟植物生长仿真建模方法的研究[J].河北农业大学学报(农林教育版)，2017，19(5)：68-72.
[4]张艳，董娟，关波，等.改进教学方法提高教学质量的几点思考[J].科技经济导刊，2019，27(06)：166
[5]李贺，刘月学，叶雪凌，等.园艺专业创新型人才培养模式研究与实践[J].沈阳农业大学学报（社会科学版），2015，17(6)：677-681.
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